一种光信号注入式仿真方法
【技术领域】
[0001 ] 本仿真方法涉及图像拟合、高速图像融合、视频图像精确拼接、视频图像同步注入、目标与跟踪系统的空间映射关系建模等多种技术。本仿真技术适用于多种平台上跟踪系统的跟踪性能仿真测试，如车载跟踪系统、机载跟踪系统。本发明属于光电跟踪系统的仿真测试领域。
【背景技术】
[0002]对于大口径跟踪式光电经玮仪，跟踪速度、跟踪加速度和跟踪精度是跟踪系统的关键指标。在实验室检测时，由于被检系统焦距长，受投影仪性能和球幕尺寸等因素制约，球幕投影方式的仿真测试效果不理想。实验室一般用高速旋转的点目标仿真测试，该方法不能有效模拟真实目标光学特性、运动轨迹及场景特征。在外场用飞行目标测试时，受外场环境和测试条件制约，测试目标单一，不能全面考核目标特性和环境特征对跟踪性能的影响，而且消耗巨大。
[0003]由光电经玮仪跟踪原理可知，通过实时测量目标与跟踪轴的空间关系，在光电经玮仪拍摄目标轨迹时刻，同步将匹配的目标和场景信息注入光电经玮仪的摄像系统或视频处理系统，代替实际目标、场景或光电探测器输出的视频信号，这就是信号注入式仿真的基本原理。注入式仿真可分为光信号注入式和电信号注入式，目前使用的电信号注入仿真方法如图1所示，仿真控制系统(3)使用跟踪轴参数采集单元⑴和目标轨迹规划单元(2)输出的跟踪轴高低角、方位角和目标轨迹参数，计算目标与场景参数，视频信号生成单元(4)生成相应的视频信号，注入到光电经玮仪￠)的图像采集卡(5)。因图像未经过光学系统，不能真实反映经玮仪产生的图像质量及参数，不适于定量检测，主要用于操作手的培训和跟踪系统的功能性检测。
[0004]光信号注入式是将仿真的目标场景信号通过光学目标模拟器投射到经玮仪摄像系统，光信号注入的基准点是拍摄每帧图像的中间时刻，目前目标模拟器生成和显示目标场景图像的时间约为40?50ms，测量出经玮仪跟踪轴与目标的空间位置关系后，再生成对应的图像投射到经玮仪摄像系统，投射的光信号有几十毫秒的延迟，此时经玮仪摄像系统已经结束该帧图像的拍摄。为消除延迟误差，一般是实时预测跟踪轴的空间指向，提前产生匹配的目标和场景图像，通过目标模拟器投射到经玮仪摄像系统。预测是有误差的，使经玮仪观测的目标航迹绕规划航迹振荡，这将降低检测精度，因此目前国内外还没有光信号注入式仿真系统。
[0005]对于大口径跟踪式光电经玮仪，光学系统成像质量影响跟踪性能，光信号注入式仿真测试是检验其跟踪性能的有效途径。因此针对光电经玮仪的特点，提出一种实时光信号注入式仿真技术，解决大口径跟踪式光电经玮仪仿真测试的急需。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种分步实施方案，首先根据仿真目标的运动轨迹和经玮仪跟踪性能，计算经玮仪跟踪目标过程中两者间可能的空间映射关系，并用目标模拟器投射相应的目标和场景，经玮仪拍摄后，建立目标和场景图像数据库；其次，仿真测试时，测量、计算经玮仪跟踪轴与目标的空间映射关系及相对运动速度，调用存储的目标场景图像，按照相对速度对图像进行运动模糊效应处理后，同步注入到经玮仪视频采集处理器，实现了经玮仪光信号注入式仿真测试，解决了大口径跟踪式光电经玮仪跟踪系统的仿真测试难题。
[0007]以目前光电经玮仪常用的CXD探测器(CCIR制式)为例说明仿真测试原理。经玮仪摄像和图像处理流程的时序如图2所示，方框(10)是经玮仪CCD拍摄图像和输出图像的时序，第N+1帧图像开始拍摄的同时输出第N帧图像，方框(11)是图像采集和图像处理的时序，第N+1帧图像开始采集的同时处理第N帧图像，(12)是帧同步信号的时序，由此可知，每帧图像摄取、采集和处理都依次延迟一帧图像时间。CCD积分时间是根据目标和背景的光强和对比度自动控制的，每帧图像有效积分时间是不同的，但每帧图像拍摄时间和图像采集处理时间是固定和相同的，为简化跟踪误差处理和跟踪系统控制，通常跟踪系统以一帧图像拍摄过程的中间点作为测量目标时刻，见图2中的TN时刻，该时刻跟踪轴空间指向就是该帧图像跟踪误差的计算基准位置，因此也是光信号注入式仿真的信号注入基准位置。从光信号注入原理上讲，若目标和场景亮度高，每帧图像有效积分时间小于20ms，通过控制经玮仪CCD快门曝光时刻，在TN时刻后的20ms内注入光信号是有可能实现实时光信号注入仿真测试的。受显示器件技术制约，目标模拟器生成和显示图像时间大于20ms，以TN时刻跟踪轴位置为基准实时注入光信号目前难以实现，因此需要其他途径实现实时光信号注入仿真测试。
[0008]由时序图2可知，每帧图像的测量基准时刻TN距该帧图像的采集起点有20ms时序差，合理利用这20ms时差，采用分步实施方法可实现光信号注入式仿真。第一步是仿真测试前建立光电经玮仪跟踪目标图像数据库。根据仿真目标的运动轨迹和经玮仪跟踪性能，计算经玮仪跟踪目标过程中跟踪轴与目标的空间映射关系，用目标模拟器生成相应的目标和场景，投射到光电经玮仪，光电经玮仪记录此图像，标准化处理后建立光电经玮仪跟踪目标图像数据库。在目标图像投射过程中，目标模拟器光轴与光电经玮仪光轴应重合。第二步是仿真测试时，断开视频处理器与摄像系统的数据线，将此数据线连接到仿真系统上。根据光电跟踪轴与目标的空间位置关系，计算每帧图像TN时刻跟踪轴与目标的相对位置关系，调用预先建立的目标图像数据库存储的目标场景图像，按照相对速度对图像进行运动模糊效应处理后，将该帧图像与光电经玮仪的帧信号同步，注入到视频采集处理器。若图像数据库中没有对应图像，可以进行图像插值处理，融合生成相应的目标场景图像。图像注入时序如图3所示，方框(13)是经玮仪CCD拍摄图像和输出图像的时序，方框(14)是仿真图像生成和注入经玮仪图像处理器的时序，TN时刻后，完成跟踪轴空间指向的测量和目标位置计算，从图像数据库中调用匹配的图像，融合成仿真图像，用帧同步信号控制输出到方框(15)中经玮仪的图像采集卡，方框(15)是经玮仪图像采集和图像处理的时序，第N+1帧图像开始摄取的同时采集第N帧仿真注入图像，(16)是帧同步信号的时序。
[0009]光信号注入式仿真系统目标场景图像数据库系统的构成原理如图4所示。目标轨迹规划单元(20)给出经玮仪每个测量时刻目标的空间位置、目标姿态、光学特征和场景特征，映射关系计算单元(21)计算目标与经玮仪跟踪轴的空间映射关系，目标模拟器(22)生成目标场景图像，投射到经玮仪摄像系统，仿真控制系统(23)控制单元(20)、单元(21)、单元(22)和图像数据库系统(27)工作，经玮仪(24)拍摄目标模拟器的图像，输出视频信号，经玮仪的图像采集处理单元(25)采集视频信号并存储，图像分类单元(26)对每帧图像进行分类、标记和标准化处理，目标场景图像数据库(27)存储经单元(26)处理后的经玮仪拍摄的目标场景图像。
[0010]光信号注入式仿真系统的构成原理如图5所示。跟踪轴参数采集单元(30)实时采集经玮仪俯仰角和方位角信息，目标轨迹规划单元(31)根据仿真测试要求，实时计算各时刻目标的空间位置、目标姿态、光学特征和场景特征，帧同步信号采集单元(32)实时采集经玮仪的摄像系统的帧信号，映射关系计算单元(33)根据单元(30)、单元(31)和单元(32)的数据计算经玮仪测量时刻(TN)跟踪轴与目标的空间映射关系及相对运动速度，仿真控制系统(35)根据单元(33)的计算结果调用目标场景图像数据库(34)相应图像数据，输出到目标场景图像融合单元(36)，单元(36)对目标场景图像融合后，按照相对速度对图像进行运动模糊效应处理后，输出到一帧视频信号输出单元(37)，单元(37)用单元(32)的数据作时统信号，输出仿真图像到经玮仪的图像采集处理系统(38)，单元(38)计算跟踪轴相对目标的空间位置值，给出方位和高低角跟踪误差信号，输出给经玮仪控制(39)，单元
(39)根据跟踪误差信号控制经玮仪(40)跟踪目标。
【附图说明】
[0011]图1电信号注入式仿真系统构成示意图
[0012]图2 CXD摄像、图像采集和处理时序示意图
[0013]图3光信号注入式仿真图像生成、注入和经玮仪图像采集、处理时序示意图
[0014]图4目标、场景仿真图像数据库生成系统构成示意图
[0015]图5光信号注入式仿真系统构成示意图
【具体实施方式】
[0016]下面以具体仿真应用实例对本发明进行详细阐述，以使发明的优点和特征便于理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
[0017]经玮仪跟踪性能与目标光学特性、运动轨迹及场景特征是相关的，对于预定的仿真测试科目，每个测量时刻目标相对跟踪轴的位置是变化的，需要合理规划目标与经玮仪跟踪轴的空间映射关系的可能情况，拍摄目标相对跟踪轴发生变化时的图像，既要满足仿真图像的注入要求，又要减小图像拍摄工作量，确定最佳拍摄区域，因此我们采用一种便于自动控制的目标场景图像数据库构建策略。
[0018]首先，按照预定的仿真测试科目，使用图5所示的光信号注入式仿真系统，采用计算机实时生成仿真图像代替目标场景图像数据库(34)的图像，对经玮仪进行5次仿真测试，计算经讳仪最大跟踪偏差角Θ。
[0019]其次，对预定的目标理论航迹进行空间网格化处理，相当于用可弯曲的方形管将目标理论航迹套住，方形管的尺寸应覆盖经玮仪最大跟踪偏差角Θ，目标理论航迹是方形管内中心线，沿着方形管内部中心线并与之平行的方向对方形管进行水平